第二章陀螺罗经误差及其消除

第二节陀螺罗经概述1．发展法国物理学家列昂.福科（Leon Foucault) 1852年提出的陀螺指向理论；现代船舶上普遍使用的陀螺罗经于本世纪初研制成功的船舶指向仪器。

1908年德国生产出了安许茨型陀螺罗经（ANSCHÜTZ gyrocompass）；1911年美国生产出了斯伯利型陀螺罗经（SPERRY gyrocompass）；1916年英国生产出了勃朗型陀螺罗经（BROWN gyrocompass）。

2．分类近百年，生产出了近百种型号的陀螺罗经，主要分为三大系列或两大类型。

按照结构特点和工作原理分为三大系列：即安许茨系列；斯伯利系列；阿玛-勃朗系列。

按照灵敏部分转子个数分为两大类型：即单转子陀螺罗经和双转子陀螺罗经。

按照控制力矩的性质分为两大类型：机械摆式陀螺罗经和电磁控制式陀螺罗经。

按照阻尼方式分两大类型：水平轴阻尼陀螺罗经和垂直轴阻尼陀螺罗经。

3．与磁罗经相比较，陀螺罗经的主要优缺点主要优点：指向精度高；多个复示器，有利于船舶自动化；不受磁干扰影响，指向误差小；安装位置不受限制等。

主要缺点：必须有电源才能工作（可靠性较差）；工作原理、结构复杂。

4．发展趋势体积小型化；广泛采用先进技术；提高指向可靠性和使用寿命；简化维护保养。

一、陀螺罗经指北原理1.自由陀螺仪及其特性1）自由陀螺仪(free gyroscope)定义陀螺仪从广义讲就是一种能绕定点高速旋转的对称刚体。

实用陀螺仪是高速旋转的对称刚体及其悬挂装置的总称。

按其悬挂装置不同分为单自由度陀螺仪(single-degree of freedom gyro.)、二自由度陀螺仪(two-degree of freedom gyro.)和三自由度陀螺仪(three-degree of freedom gyro.)。

平衡陀螺仪(balanced gyroscope)：若陀螺仪的重心（G）与中心（O）重合。

自由陀螺仪：重心（G）与中心（O）重合，不受任何外力矩作用的三自由度平衡陀螺仪。

第一章 陀螺罗经误差及其消除陀螺罗经的主轴在方位上偏离地理真北方向的角度称为陀螺罗经误差。

陀螺罗经误差也是船舶真航向与陀螺罗经航向之间的差值或真北与陀螺罗经北之间的差角。

陀螺罗经误差有纬度误差、速度误差、冲击误差、摇摆误差和基线误差。

第一节 纬度误差 (latitude error)一. 纬度误差产生的原因在第一章讨论具有阻尼重物的液体连通器单转子式陀螺罗经时指出,在北纬φ处的静止基座上稳定位置为⎪⎩⎪⎨⎧-=-=M H tg M M r D r 2ωθϕα （2－1） 由(2－1)式可见,位于北纬φ处的具有阻尼重物的水银器式罗经,稳定后罗经主轴并不恰好位于子午面内,而是偏离子午面一个角度αr ,当罗经的结构参数M 、M D 确定后, αr 角仅与地理纬度φ有关,故称为纬度误差。

以具有阻尼重物的液体连通器式罗经为例,分析纬度误差产生的原因消除方法。

当罗经稳定后,罗经主轴指北端自水平面升高θr 角,产生沿水平轴OY 负向的控制力矩M Y =-Mθr ,使主轴产生绕垂直轴OZ 正向的主进动角速度ωPZ ,主轴指北端向西主进动的线速度u 2= Mθr ,与位于北纬φ处因地球自转角速度垂直分量ω2的影响,使主轴指北端东偏的线速度V 2=Hω2等值反向,亦即u 2＝V 2。

于是,罗经主轴相对于子午面获得稳定。

由于罗经主轴指北端自水平面升高θr 角,阻尼重物则产生与θr 角成正比的阻尼力矩M D θr 沿垂直轴OZ 作用,指OZ 轴的正向。

因此,阻尼力矩M Z 将引起罗经主轴绕水平轴OY 的阻尼进动角速度ωPY ＝M D θr /H ,亦即主轴指北端以阻尼进动线速度u 3= M D θr 向下运动,罗经主轴不能在子午面内r 点稳定。

欲使罗经主轴获得相对于水平面的稳定。

只有借助于主轴相对于水平面的升降视运动的线速度V 1=Hω2α与阻尼进动线速度u 3的平衡。

为此,主轴指北端只有自子午面向东偏离适当的方位角αr ,并满足条件:⎩⎨⎧==r D r M H u V θαω131 （2－2） 即阻尼力矩M D θr 使主轴指北端向下进动的线速度u 3与视运动线速度V 1等值反向。

利用天体测罗经差利用天体测罗经差一、观测天体求罗经差的原理及注意事项1．原理计算公式：∆C=A C-CBCB是天体的罗方位，TB是天体的真方位2．注意事项（可引起所测天体真方位误差的因素）一、所用的光学方位仪必须是经过标校好的，否则所测出来的天体的真方位是有误差的；二、方位分罗经的安装基线必须与舰艏艉线平行，由于甲板变形会引起基线误差，这个误差必然会引起所测天体真方位的误差三、为求得较准确的罗经差∆C，应尽量减小A C和CB的误差。

（1）应观测低高度天体的罗方位，减小方位误差①方位误差：用天体计算方代替天体真方位产生的误差，它的大小主要取决于天体高度。

②实际观测中要尽量选择低高度的天体，其高度应低于30︒，最好低于15︒。

③方位误差还与被测天体的方位和赤纬有关，被测天体的方位趋近0︒，赤纬趋近90︒时，引起的方位误差趋近零。

（2）观测时应尽量保持罗经面的水平，减小倾斜误差①倾斜误差：由于罗经面的倾斜而引起观测天体罗方位的误差，与被测天体的高度和倾斜角有关系。

②为减小倾斜误差，应观测低高度天体的罗方位来测定罗经差，并且在观测时应尽量保持罗经面的水平。

（3）为避免粗差和减小随机误差的影响，一般应连续观测三次，取平均值作为对应于平均时间的罗方位。

罗经读数读至0︒.5，观测时间准确到1m。

二、观测太阳低高度方位求罗经差1．步骤1）观测太阳低高度方位CB，同时记下观测时间。

2）求观测时刻太阳的计算方位A C，近似作为太阳真方位。

3）求罗经差∆C=A C—CB2．利用《太阳方位表》求罗经差1）结构《太阳方位表》共分两册，第一册适用纬度为0︒～30︒（英版称Davis´s tables, 戴氏表）。

第二册适用纬度为30︒～64︒（英版称Burdwood´s tables，柏氏表）。

查表引数：纬度ϕ、赤纬δ和视时T 。

当查表引数纬度、视时、太阳赤纬与表列数据不同时应进行内插，以求得较精确的太阳方位。

航海仪器课后解答航海仪器课后复习题第一章陀螺罗经1.叙述陀螺仪的定义及其基本特性。

定义：工程上将高速旋转的对称刚体（转子）及其悬挂装置的总称叫做陀螺仪。

基本特性：定轴性进动性2.何谓平衡陀螺仪和自由陀螺仪？平衡陀螺仪：陀螺仪的中心和其几何中心相重合的陀螺仪。

自由陀螺仪：不受任何外力矩作用的平衡陀螺仪。

4.位于地球上的自由陀螺仪的视运动有何规律？如何解释其物理实质？自由陀螺仪在地球上的视运动规律：北纬东偏南纬西偏，（偏转角速度为w2）东升西降南北一样（升降角速度为w1a）物理实质：当地球自转时，在北纬子午面北点N向西偏转，由于陀螺仪的定轴性，主轴空间指向不变，跟地球一起运动的观察者看到主轴北端在不断向东偏转。

同理在南纬，主轴指北端向西偏转。

当陀螺仪主轴指北端偏离子午面以东时，受w1的影响，水平面东半平面下降，陀螺仪主轴的指北端相对水平面产生上升的视运动；当陀螺仪主轴的指北端偏离子午面以西时，由于水平面西半平面上升，陀螺仪主轴则产生下降视运动。

5.影响自由陀螺仪主轴不能稳定指北的主要矛盾是什么？克服该主要矛盾对自由陀螺仪影响的基本原则是什么？W2是影响自由陀螺仪主轴不能指北的主要矛盾。

克服该矛盾对自由陀螺仪影响的基本原则是利用陀螺仪的进动性，对陀螺仪水平轴施加一个外力M，使陀螺仪周周绕OZ轴进动，并满足w’=M/H=w26.叙述变自由陀螺仪为摆式罗经的两种方法。

第一种是重力下移法。

将陀螺仪的重心沿垂直轴下移，时重心不与支架中心O 重合，当主轴不水平时，产生控制力矩。

根据这种方法制成的罗经称为下重式罗经。

第二种是水银器法或液体连通器法。

在平衡陀螺仪上悬挂液体连通器，液体连通器中注入适量的高比重液体（如水银或其他化学溶剂），用以产生控制力矩。

这类罗经一般被称为水银器罗经或称液体连通器罗经。

7.为何双转子摆式罗经与液体连通器罗经二者的动量矩H的指向不同？由于地球自转，双转子摆式罗经主轴指北端偏离水平面后产生的重力控制力矩My使陀螺仪主轴指北端向子午面北端靠拢，自动找北。

中文：航海仪器课程名称英文：Navigation Apparatus课程编号 1105300 学分/学时 3.5/60所属教研室航海教研室先修课程 高等数学、大学物理、理论力学、电路与电机、无线电技术等课程类型 专业课 考核方式 考试开课专业 航海技术专业教学目的和要求目的:本课程是航海技术专业的一门主干专业课。

其目的是使学生掌握正确使用航海仪器应具备的基本知识和技能，并通过国家海事局要求的《航海仪器的正确使用》评估项目和《航海学》考试。

要求:1、理解陀螺罗经和磁罗经的指北原理及其结构组成，掌握测定和校正仪器误差的方法，熟练掌握仪器的正确使用方法与保养工作。

2、掌握测深仪和计程仪的基本原理、正确使用方法与维护保养工作。

3、掌握罗兰C系统、GPS/DGPS卫星导航系统的组成、定位原理和定位精度，熟练掌握GPS 卫导仪和罗兰C接收机的正确使用方法。

4、掌握AIS系统的功能、组成与特点，并能正确使用AIS收发机。

5、了解VDR和组合导航系统的主要功能与特点等。

教学内容和基本要求（分章节）绪论第一章 陀螺罗经的指北原理第一节 陀螺仪及其特性第二节 陀螺仪在地球上的视运动第三节 变自由陀螺仪为陀螺罗经的方法第四节 摆式罗经的等幅摆动和减幅摆动第五节 电磁控制式罗经原理第六节 光纤陀螺罗经定向原理基本要求：正确理解陀螺罗经的指北原理。

本章重点：陀螺罗经的指北原理。

本章难点：陀螺罗经的指北原理。

教学内容及基本要求（分章节）第二章 陀螺罗经误差及其消除第一节 纬度误差第二节 速度误差第三节 冲击误差第四节 其它误差基本要求：掌握陀螺罗经的各种误差的定义、特点及其校正方法。

本章重点：陀螺罗经的各种误差的特点及其校正方法。

本章难点：陀螺罗经纬度误差、速度误差的原因分析。

第三章双转子陀螺罗经第一节 安许茨4型罗经概述、主罗经结构组成、使用与保养第二节 安许茨20型罗经第三节 北辰CMZ500型罗经基本要求：掌握安许茨罗经的主罗经结构组成及各主要部件的作用，能熟练使用安许茨4型陀螺罗经。